Хистони и структура на хроматинот
Во јадрото на еукариотска клетка, ДНК не постои како лабава „нишка“. Доколку целата човечка ДНК се одмотеше, таа би била долга околу два метра, иако јадрото е со дијаметар од само неколку микрометри. За да ја собере оваа огромна количина на генетски материјал, а воедно да остане достапна за основните биолошки процеси, клетките имаат уреден и динамичен систем на пакување. Овој систем е познат како хроматин, а неговите клучни компоненти се хистоните - мали, позитивно наелектризирани протеини кои дејствуваат како калеми околу кои се намотува ДНК. Разбирањето на хистоните и структурата на хроматинот ни помага да објасниме како гените се вклучуваат или исклучуваат, како клетките се делат и зошто малите промени во пакувањето на ДНК можат да бидат поврзани со болести.
Што е хроматин?
Хроматинот е комплекс составен од ДНК, протеини (првенствено хистони) и голем број нехистонски протеини и поврзана РНК. Примарната функција на хроматинот не е само да ја пакува ДНК, туку и да го регулира пристапот до генетски информации. Хроматинот може да биде поцврсто или полабаво спакуван, а оваа состојба влијае на тоа дали одредени гени лесно се читаат (транскрибираат) или имаат тенденција да останат неактивни.
Општо земено, постојат две форми на хроматин за кои често се дискутира:
1. Еухроматин: релативно лабава структура, богата со гени и транскрипциски поактивна.
2. Хетерохроматин: погуста структура, често содржи повторувачки секвенци и генерално е помалку транскрипциски активен. Хетерохроматинот, исто така, игра важна улога во одржувањето на стабилноста на геномот, на пример во центромерните и теломерните региони.
Важно е да се нагласи дека еухроматинот и хетерохроматинот не се ригидни категории; хроматинот може да се менува во зависност од клеточните потреби, фазата на клеточниот циклус и сигналите од животната средина.
Хистони: основни протеини кои ја пакуваат ДНК
Хистоните се протеини богати со позитивно наелектризирани аминокиселини како што се лизин и аргинин. Овој позитивен полнеж е важен бидејќи ДНК е негативно наелектризирана поради фосфатните групи во нејзиниот ‘рбет. Електростатските интеракции помеѓу хистоните и ДНК помагаат во формирањето на стабилна структура на пакување.
Главните хистони се поделени во две групи:
– Основни хистони: H2A, H2B, H3 и H4. Овие четири го формираат „јадрото“ околу кое е обвиткана ДНК.
– Линкер хистони: првенствено H1 (и неговите варијанти). Овие хистони помагаат во стабилизирањето на ДНК врските помеѓу нуклеозомите и промовираат повисоки нивоа на пакување.
Покрај „канонските“ хистони, постојат и хистонски варијанти (на пр., H2A.Z, H3.3, CENP-A) кои можат да ги заменат регуларните хистони на специфични локации. Овие варијанти даваат специфични својства на хроматинот, како што се поддршка на активирањето на гените, одговор на оштетување на ДНК или идентитет на центромер.
Нуклеозом: основна единица на структурата на хроматинот
Најосновната структурна единица на хроматинот е нуклеозомот. Нуклеозомот се состои од:
– Хистон октамер: 2 × (H2A, H2B, H3, H4)
– ДНК обвиткана околу октамер од приближно 147 базни парови (bp)
– „Линкер“ ДНК со различна должина (често околу 20–80 bp), која поврзува еден нуклеозом со следниот
Да употребиме аналогија, ДНК е како низа, додека нуклеозомите се како монистра. Оваа структура често се нарекува „монистра-на-низа“ и го претставува почетното ниво на пакување.
Улогата на нуклеозомите не е само механичка. Бидејќи ДНК обвиткана околу хистоните станува помалку достапна, присуството и позицијата на нуклеозомите можат да одредат дали транскрипциските фактори и другите ензими можат да се врзат за ДНК. Со други зборови, нуклеозомите се „порти“ што можат да отворат или затворат пристап до гените.
Нивоа на пакување на хроматинот
По нивото на нуклеозомот, хроматинот може дополнително да се збие. Класично, учебниците опишуваат пакување на повеќе нивоа:
1. Двојна спирала на ДНК (2 nm)
2. Нуклеозомски влакна (приближно 10–11 nm)
3. 30 nm влакно (соленоид или цик-цак модел; неговото постоење во услови на живи клетки е сè уште предмет на дискусија, но концептот на напредна згуснување останува релевантен)
4. Домен на јамка: хроматинските влакна формираат јамки кои се прицврстени за протеинската рамка во јадрото.
5. Метафазни хромозоми: најгустата форма за време на клеточната делба.
Во рамките на јадрото, тродимензионалниот распоред на хроматинот е високо организиран. Активните гени имаат тенденција да се наоѓаат во средини поволни за транскрипција, додека замолчените региони можат да бидат „групирани“ во специфични области. Оваа организација помага ефикасно да се координира генската експресија.
Модификации на хистоните и „хистонскиот код“
Најчесто модифициран дел од хистонот е хистонската опашка, која е N-терминалниот сегмент што излегува од нуклеозомот. Оваа опашка може да претрпи разни пост-транслациони модификации, на пример:
– Ацетилација: обично на лизин; има тенденција да го намали позитивниот полнеж на хистоните, така што врската со ДНК е ослабена и хроматинот е поотворен, често поврзано со активирање на гени.
– Метилација: на лизин или аргинин; ефектот зависи од локацијата. На пример, метилацијата кај H3K4 често се поврзува со активни гени, додека H3K9 или H3K27 често се поврзува со замолчување.
– Фосфорилација: често поврзана со одговор на оштетување на ДНК и регулација на митозата.
– Убиквитинација и други модификации што влијаат на стабилноста и интеракциите на хроматинот.
Оваа збирка на модели на модификација често се нарекува „хистонски код“, идејата е дека одредени комбинации на модификации можат да бидат „прочитани“ од други протеини за да произведат специфични биолошки ефекти - на пример, регрутирање на комплекси на транскрипциски активатори, комплекси на репресори или протеини за поправка на ДНК.
Модификациите на хистоните се регулирани од три групи протеини:
– Писатели: ензими кои додаваат модификации (на пр. HAT за ацетилација, HMT за метилација)
– Бришачи: ензими кои отстрануваат модификации (на пр. HDAC за деацетилација, деметилаза)
– Читачи: протеини кои препознаваат модификации (на пр. бромодомените препознаваат ацетилација)
Ремоделирање на хроматин: поместување на нуклеозомите за регулирање на гените
Покрај хемиските модификации, клетките поседуваат и комплекси за ремоделирање на хроматин кои користат ATP енергија за да ја променат положбата или составот на нуклеозомите. Овие комплекси можат:
– Поместување на нуклеозоми (лизгање) така што одредени места на ДНК се отворени/затворени
– Отстранување или замена на хистони со варијанти
– Го регулира растојанието помеѓу нуклеозомите
Ремоделирањето е од суштинско значење кога гените треба брзо да се активираат, кога ДНК треба да се реплицира или кога се јавува оштетување на ДНК кое бара пристап до ензими за поправка.
Хистони, репликација на ДНК и поправка на оштетувања
Кога клетките реплицираат ДНК, хроматинот мора привремено да се расклопи пред репликациската вилушка и повторно да се состави зад неа. Старите и новите хистони се дистрибуираат до ќерката ДНК, потпомогнати од хистонските „шаперони“ протеини. Овој процес вклучува не само повторно пакување, туку и одржување на „меморија“ на генската регулација (на пр., модели на модификација на хистоните) за да се одржи стабилен клеточен идентитет.
Во поправката на оштетувањето на ДНК, хроматинот е исто така динамичен. Оштетувањата како што се прекините на двојната низа активираат сигнали што модифицираат специфични хистони (на пр., фосфорилација на H2A.X кај многу еукариоти) за да го регрутираат механизмот за поправка. Без промени во хроматинот, многу области на ДНК се тешки за достигнување од страна на ензимите за поправка.
Хроматин и епигенетика
Дискусијата за хистоните често се преклопува со епигенетиката, што е наследена промена на шемите на генска експресија без промена на секвенцата на ДНК. Модификациите на хистоните, варијантите на хистоните и позициите на нуклеозомите можат да дејствуваат како епигенетски маркери. Заедно со метилацијата на ДНК и некодирачките РНК, овој систем им овозможува на клетките со иста ДНК (на пример, мускулни клетки и нервни клетки) да имаат различни генски програми.
Епигенетската порегулација може да придонесе за различни состојби, вклучувајќи рак, развојни нарушувања и невродегенеративни заболувања. Поради нивната реверзибилност, епигенетските компоненти се и терапевтски цели, како што се HDAC инхибитори или специфични ензими за метилација, во одредени клинички контексти.
Затворање
Хистоните и структурата на хроматинот се основни темели на модерната молекуларна биологија. Хистоните не се само „намотувачи“ за ДНК, туку регулаторни компоненти кои овозможуваат ДНК да се компактира, а воедно да остане функционална. Преку формирање на нуклеозоми, подобрена компактност, модификации на хистонските опашки, варијанти на хистони и ремоделирање предизвикано од АТП, клетките можат да регулираат кога и каде се вклучуваат гените, како се реплицира ДНК и како се поправа штетата. Со разбирање на динамиката на хроматинот, можеме да го гледаме геномот не како статичен текст, туку како ракопис кој постојано се реорганизира - се отвора, затвора и уредува - за да се одржи координираниот живот на клетката.
